“双减”背景下“问、探、拓、矫”教学模式实践研究

摘   要：以声音波形可视化的教学为例，通过对相关实验的改进、优化和创新，提高科学探究的信度、广度、效度和深度，完成知识的建构、内化和升华，提高课堂教学质量，培养学生的物理学科核心素养。

关键词：科学探究；深度；可视化

“双减”背景下“问、探、拓、矫”教学模式以立德树人为根本导向，结合《义务教育物理课程标准（2022年版）》，对学生预期的学习成果进行思维层次分类，改进教学方式，培养学生的价值观、必备品格和关键能力。“问”指的是问题链：教师根据学生的知识储备现状和提出的问题，预设一组有中心、层层递进、相对独立而又彼此关联的问题链，唤醒学生记忆中碎片化的知识，完成知识的构建、融合、应用、创新，构建思维型课堂，发展学生的科学思维^{[ 1 ]}；“探”指的是实验探究：教师结合物理学发展史，重现科学家的探索历程，引导学生设计和优化实验探究方案，让学生经历科学探究的全过程，学习科学探究方法，提高学生的科学探究能力、分析论证能力和用物理语言进行精准表述的能力；“拓”指的是创新性拓展：教师在新课结束后根据学生对知识的掌握情况，对学生的作业进行创新性拓展，设计家庭小实验、调查报告、研究性学习等，让学生将自己课堂所学知识进行深度加工，培养学生的批判性思维能力、与同伴有效合作能力、自我指导和反馈能力，同时有效地减轻学生的课业负担。“矫”指的是科学矫治：教师对学生的学习情况进行诊断，判断学生的学习成果是否符合教学意向，采取补救性矫治措施，全面提高学生的物理学科核心素养。现以声音波形可视化的教学为例^{[ 2 ]}，探讨如何通过有效的科学探究，进行深度物理课堂教学，提高学生的物理学科核心素养。

1  挖掘探究内容，思考科学探究信度

在沪科版八年级物理“声音的特性”这一节课中，教材将音调的概念界定为发声体振动的快慢，并采用音调高低演示仪（如图1所示）来说明音调与频率的关系。三个齿数不同的同轴齿轮在飞轮的带动下以相同的转速旋转，硬卡片分别与三个齿轮接触，硬卡片振动发声，学生比较三次实验得出结论：齿数越多，卡片发出的声音音調越高，音调的高低由振动的快慢决定。由于卡片振动较快，振动的频率无法定量测量，因此采用音调高低演示仪做演示实验，难以观察清楚并得出准确的结论，实验效果不理想。

教师在教学过程中通常利用示波器将声音的波形可视化，试图通过让学生观察波形的疏密程度来加深的音调概念的理解。首先，轻敲音叉，让学生聆听音叉的声音并观察示波器里的波形（如图2所示），随着时间的推移，响度逐渐减弱，示波器上声波的振幅减小，但音调不变，疏密程度不变；接着换用频率不同的音叉再做一次实验。由此得出结论：音调的高低由频率决定，与振幅无关。利用示波器教学将声音的波形可视化，有助于学生对音调概念的理解，但也存在缺陷：学生难以理解声音为什么可以转化为波形；音叉的音量较小，学生对音叉的响度辨识不清。

以上两种探究方案，科学探究的信度都有待提升。

2  开拓自制教具，延伸科学探究的广度

自制示波器的原理如图3所示，通过纸杯和激光笔将人体的声音信号转化为光信号，再通过旋转的平面镜将光信号转化为光的运动轨迹，进行听觉和视觉的同步展示。具体的制作过程如下。

（1）如图4所示，用铁丝和固定帽将激光笔固定在纸杯上，制成一个声音收集器。接通激光笔电源，激光笔发射出激光，墙壁上出现一个光点。人体对着杯口发声，纸杯发生振动，激光笔也会跟着振动，墙壁上的光点也随之振动。

（2）如图5所示，将四块平面镜黏贴在长方体木块的四个表面上，制成一个四面反光的立柱。将平面镜立柱固定在转速可调的电动旋转台上。接通电源时，平面镜立柱会随着电动旋转台一起匀速旋转。

（3）将声音收集器、平面镜、电动旋转台固定在底座上（如图5所示），接通激光笔和电动旋转台的电源，激光笔发射的激光束照射到旋转的平面镜上发生反射，这时墙壁上出现一条平直的光线 （如图6所示）。

（4）人体对着声音收集器大声发出“1（Do）”的声音，墙壁上出现声音的波形（如图7所示）。

（5）控制人体发出的声音响度相同，发出“5（so）”的声音，可以在墙壁上观察到波形的疏密程度不同，振幅相同。

自制示波器将声音信号转化为光信号，实现声音的波形可视化，学生容易理解为什么声音可以转化为波形，也能深刻体会音调与频率的关系。教学过程中可以邀请学生对着纸杯演唱歌曲，进行声音的采集，观察自己声音的波形，也可以在纸杯中植入扬声器，播放不同乐器的演奏，观察不同乐器的声音波形，延伸科学探究的广度，提高科学探究的趣味性。

3  使用数字技术，提高科学探究效度

与传统的示波器相比，计算机操作更为简单，功能也更加丰富。借助Audacity软件，可以用计算机播放声音并通过大屏幕展示声音的波形，获得的波形更加真实，实验数据也更加准确。

（1）启动软件，打开“生成单音”对话框（如图8所示），输入频率200 Hz和振幅为1，单击播放按钮，就可以听到这段声音并在屏幕上观察到所对应的波形（如图9所示）。

（2）将频率调为400 Hz，振幅1，单击播放按钮，可以听到声音的响度不变，音调明显变高。同时在屏幕上可以观察到波形的振幅不变，但明显变得密集许多（如图10所示）。

（3）保持频率400 Hz不变，振幅调整为0.5，单击播放按钮，可以听到声音的响度明显减弱，但音调不变。同时在屏幕上可以观察到波形的振幅变为原来的一半，但疏密程度不变（如图11所示）。

使用数字媒介技术，可以获取静态的波形图，学生能从图像上获取时间、振幅等关键信息^{[ 3 ]}。学生可以从图像上计算出单位时间内振动的次数——声波的频率。有益于学生对频率概念的理解，提高科学探究效度。

4  创拓课后作业，提升科学探究深度

阶段性课程结束后，要对学生的作业进行创新性拓展，让学生将自己课堂所学知识进行深度加工，延伸科学探究广度。教师可提供相关器材，让学生萌发出新的问题，自主设计科学探究方案，成为新问题的解决者，内化和升华所学知识。培养学生的批判性思维能力、与同伴有效合作能力、自我指导和反馈能力，同时有效地减轻学生的课业负担。

（1）教师提供线圈、磁铁、灵敏电流计等让学生自主探究。如图12所示，将自制“声音收集器”中的激光笔换成线圈，接入灵敏电流计，组成一个闭合回路。线圈的部分导体放在一个强磁场中。当发声体振动时，线圈也会跟着振动，线圈切割磁感线产生感应电流。通过灵敏电流计的指针偏转的快慢和角度，来验证音调和频率的关系。若学生制作成功，可以进行全班展示，并给予充分肯定，若制作失败，也可以和学生一起分析问题产的原因，并提出改进的方案。

（2）学生利用吉它、手机等器材来探究音调和频率的关系^{[ 4 ]}。如图13所示，手机下载并打开ＧuitarTuna调音软件，拨动吉他的Ｅ弦，琴弦振动发声，音调显示为（-32），说明音调偏低；调紧E琴弦，重做一次实验，学生聆听并观察软件显示的音调示数变化。

5  结束语

“双减”减的是义务教育阶段学生的作业负担和校外培训负担，不是减教学质量，这对教师的课堂教学提出了更高的要求。教师要做“优”课内：在更加有限的教学时间里，做好各类演示、分组实验并通过相关实验的改进、优化、创新，完成知识的构建、内化和升华，提高课堂教学的信度、效度、广度和深度。学生的作业要控量高效：教师可布置拓展性作业，并让学生尝试撰写实验报告，培养学生运用物理语言对所经历的探究情景进行精准地概括、演绎和归纳的能力。教师再根据学生的学习情况进行诊断，判断学生的学习成果是否符合教学意向，并采取补救性矫治措施，全面提高学生的物理学科核心素养。

参考文献：

［1］ 修金文.基于遞进式问题链的深度物理课堂教学：以制作“电子测力计”过程的分析为例 [Ｊ].物理教学，2021（3）：43-45.

［2］ 罗砚馨，熊华.“探究音调和频率的关系”创新实验3则[Ｊ].物理教师，2019（11）：50-54.

［3］ 郁志芸. 以电脑示波代替人眼判断的数字化实验案例：以探究声音的特性为例[J].物理教学，2016（7）：27-29.

［4］ 罗思远，吴锦霞，王笑君.智能手机在“声音的特性”教学中的应用[J].物理教学，2020（1）：78-80.

福建省石狮市2022年基础教育教学改革专项课题：“双减”背景下深度物理课堂提质增效实践研究（SJGZX2022-83）研究成果